土石方测量中三维激光扫描技术的运用分析

摘 要：　本文以墓园扩建工程为例，分析了三维激光扫描技术的基本工作原理，总结了三维激光扫描技术在土石方测量中的应用流程以及数据处理步骤，文章采用静态扫描点云体积和机载扫描点云体积的方法进行了土石方量计算，对两种方法计算的结果进行了对比。结果表明，两种方法所获土石方量较差符合一般工程测量的误差范围，说明使用三维激光扫描技术获得点云数据是精确可靠的，因此，在土石方量测量中使用该方法更适用于复杂地形环境的测量工作，可以有效的提高测量效率和测量质量。

　　关键词：　三维激光扫描技术; 土石方量; 点云数据;

　　Abstract：　Taking the expansion project of the cemetery as an example,this paper analyzes the basic working principle of 3 D laser scanning technology,summarizes the application process and data processing steps of 3 D laser scanning technology in earth and stone measurement,and uses the method of static scanning point cloud volume and airborne scanning point cloud volume to calculate the earth and stone volume.The results of the calculation of the two methods are compared.The results show that the poor earth and stone measure obtained by the two methods conforms to the error range of general engineering measurement,and it shows that the use of 3 D laser scanning technology to obtain point cloud data is accurate and reliable,so the method is more suitable for the measurement of complex terrain environment in geo-stone measurement,which can effectively improve the measurement efficiency and measurement quality.

　　Keyword：　three-dimensional(3D)laser scanning technology; earthwork; point cloud data;

　　0、 引言

　　地面三维激光扫描技术是继GPS技术以来又一新突破的测绘技术，推动了测绘领域的快速发展。传统的地形三维数据采集可分为两类型[1]：一是以单点采集，即通过采集离散点的三维数据实现地形图的绘制工作，主要方法仪器有全站仪、GPS、经纬仪等，该类测绘方法在测绘过程中所需时间长，且地形复杂区域存在采点困难、效率低等弊端；二是以面采集，如遥感技术、摄影测量技术等，即通过航拍影像获得大批量三维坐标，具有采点效率高的特点，但是影像处理耗费时间较长。三维激光扫描技术以高精度逆向三维建模以及重构技术为基础，实现了“实景复制”技术，即通过获得测绘区域的三维坐标数据和照片，进而建立实体或实景的三维立体信息，经过重构三维数据模型处理，快速的提取测绘区域的坐标信息因此，三维激光扫描技术在测绘领域具有广泛的应用，逐渐应用于地表形变监测[2,3]、虚拟现实[4]、三维立体建模和地形测绘[5,6,7]、土石方量测量[8,9,10,11,12,13,14]等领域。本文以某墓园扩建工程为例，分析了三维激光扫描技术在土石方测量中的应用方法。

　　1 、三维激光扫描技术的原理

　　三维激光扫描技术是继GPS技术以来又一新型的测绘技术，由三维激光扫描仪为主体的现代化测绘技术，由内置数码相机、附属设备、后处理软件、电源等组成[3]。三维激光扫描技术的工作原理可以表述为：激光二极管发射周期性的激光脉冲，由接收透镜接收目标表面的反射信号后形成相应的接收信号，利用发射与接收反射信号的时间差计算扫描仪的测距S，同时将扫描仪镜头在水平方向和垂直方向上的观测角度值标记为φ和θ，被测点极为P，则被测点的三维坐标为P(x,y,z）的计算公式为：


　　根据式（1），就可以获得被测点P的三维坐标。三维激光扫描技术就是利用扫描仪对测绘区域进行全方位扫描工作，对扫描后的数据进行整理，获得测绘区域的点云数据，进而提取三维空间坐标。土石方量的计算是以研究区域的地形表面为基础，将其投影至制定的起算平面上，形成一定堆积面积的体积[11]。因此，土石方量的计算方法较多，不同的方法的使用范围和结果精度也存在较大差异。本文以静态扫描点云体积和机载扫描点云体积的方法进行研究区土石方量的计算，其工作流程见图1。

　　图1 三维激光扫描技术在土石方量计算中的应用流程图

　　2、 测量设备软硬件配置

　　本文采用的测量设备硬件配置见表1，软件配置见表2。

　　表1 硬件配置表

　　表2 软件配置表

　　3、 三维激光扫描技术在土石方测量中的应用

　　本文以某墓园扩建工程为例进行土石方测量，测图比例尺为1∶500，平面采用该城市的独立坐标系，高程采用1985国家高程基准。由于研究区地形地貌变化大、工期紧，使用传统的测量方法耗时较长，加之地形破碎的区域获得实测数据信息较难[10]。因此，本文使用三维激光扫描技术进行该区域的土石方测量。

　　3.1、 土石方测量方案

　　研究区域地形变化不大，有利于土石方量的计算。因此，在土石方量测量方案设计过程中可忽略地形变化较大而引起较大误差的问题。本文在测量过程中结合墓园周边已有的两个一级控制点，再新布设一级图根点5个，使得控制点分布在研究区内，控制不同微小地形变化处，作为本次平面测量和高程测量的控制点。

　　3.2、 点云数据的处理

　　本文将外业获得的扫描仪自身测量坐标系统转换为该城市的独立坐标系，利用发射标靶的方法实现点云数据的转换、拼接和精度的检核工作，其数据处理包括以下几个方面内容：

　　(1）点云数据的获取

　　为核算墓园扩建工程的土石方量，本次在该工程施工前后不同时间段的同一时点进行测量区域的扫描作业，为了提高扫描质量，避免扫描盲区的出现，在通视条件良好的区域设站，共设置5个测站，每站扫描时间为15min，扫描宽约91m，长约103m。

　　(2）点云数据配准与坐标转换

　　利用激光三维扫描技术扫描过程中，因受到扫描仪有效距离，测绘区域地形地貌等综合因素的影响，使得在测绘区域内进行多次测站的转移才能完成相应的测绘任务，导致所获得每一站点的点云数据都为扫描仪内部定义的坐标系统[13]。因此，为了获得测量区域内部数据坐标系统的统一，必需将各个独立的站点坐标统一至同一坐标系统下。在独立坐标系统同一过程中，为了不影响最终与大地坐标转换时的精度，可以将每个站点的扫描点云数据同一至某一测站的局部坐标系统下，即利用相邻两个站点之间的3个或以上的同名控制标靶，也就是点云数据的配准。点云数据的配准方式有相对方式和绝对方式两种，前者是以某一测站的坐标系统为基准，将其余测站的数据坐标同一至该测站坐标系统下，该种方法在配准过程中不同测站之间需要至少3个以上的同名标靶才能完成数据的配准，该种配准方式随着测站数量的增多，使得传递误差逐渐增大[14]；后者是将扫描仪与常规测量仪器相结合，即使用其他测量仪器获得每一测站的坐标和标靶坐标，即直接获得目标点的绝对坐标，再将各测站的坐标转换至绝对坐标系统中，该种方法不存在传递误差，其最终精度较为均匀（图2）。因此，本文在点云数据配准过程中利用全站仪获得绝对坐标，进而进行相应的配准。

　　表3 不同机载扫描方法土石方测量结果统计表

　　图2 研究区云数据图匹配图

　　(3）点云数据处理

　　在点云数据坐标转换和配准完成后进行点云数据的冗余处理，将非地面点如浮尘、建筑物、车辆、行人等数据信息过滤，并进行数据重采样、赋色处理，获得江北区虹星村龙皇堂墓园扩建工程的全景点云[9]。处理后的点云数据为均匀分布的地表点，以此为基础进行研究区三维建模，生成相应的三角网，并对三角网进行平滑、细分、补漏等处理，获得三角网滤波后的点云，并加载相应的DEM模型（图3）。

　　图3 滤波后的点云

　　3.3、 土石方量的计算

　　墓园扩建工程的测量范围相对较小，本文采用表2中的软件平台进行数据土石方量的计算。为了对比不同方法计算的土石方量差异，本文采用静态扫描点云体积和机载扫描点云体积的方法进行相关参数的计算（表3）。通过计算可知，使用静态扫描点云体积的方式获得最小高程为30.670m，最大高程为64.190m，计算高程设置为30.000m，获得挖方体积为86 427.668m3，堆积面积为7 925.485m2，堆积长约95.820m，堆积宽约85.710m。使用机载扫描点云体积的方式获得最小高程为30.920m，最大高程为67.120m，计算高程设置为30.000m，获得挖方体积为80 167.960 m3，挖方表面积为4 848.120m2，堆积面积为6 024.876m2，堆积长约97.450m，堆积宽约79.280m（表3）。

　　综上所述，使用两种方法获得的土石方量计算结果较差为6 259.708m3（较差=静态扫描点云体积计算结果—机载扫描点云体积计算结果），获得土石方量计算误差为7.2%（误差=较差÷静态扫描点云体积计算结果×100%），符合一般工程测量的误差范围。因此，使用三维激光扫描技术获取工程土石方量计算是可行的，且具有测量简单、用时短的优势。

　　4、 结束语

　　本文以某墓园扩建工程的土石方量计算为例，分析了三维激光扫描技术在土石方量计算中的的应用流程以及数据处理方法，通过静态扫描点云体积法和机载扫描点云体积法计算结果进行对比分析，认为两种方法获得的土石方量计算误差为7.2%，完全满足一般工程测量的范围要求，说明本文在计算土石方量过程中所选用的测量方法是合理的，且该方法具有精度高、外业操作简单的优势，因此，可以在其他测量领域大范围推广使用。

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